퇴화 암호

퇴화 암호의 사전적 의미는 몇 가지 서로 다른 암호 낱말이 같은 의미를 같는 경우를 가르킨다. 유전자 암호는 "퇴화 (degenerate)" 되어 있는데 그 이유는 서로 다른 코돈 (codon)이 같은 아미노산을 명시하기 때문이다. 즉, A, T, G, C의 4 가지 염기 중, 3 개가 조합되면 43=64개의 코돈을 생성할 수 있지만, 이 모든 유전자 암호가 해석하는 아미노산의 종류는 20가지 뿐이기 때문에,한 개 이상의 코돈이 같은 아미노산으로 해석될 수 있는 중복성을 보이는 것이다 (그림 1). 예를 들면, GAA 와 GAG 두 코돈은 모두 글루타믹산 (glutamic acid)로 해석된다. 따라서, 유전자 상에서 한 개 염기가 변화하는 돌연변이가 그 유전자가 해석되어 생성되는 단백질의 아미노산을 변화 시키지 않는 유사 돌연변이 (Synonymous mutation)이 일어날 수 있다.

그림 1. 유전자 암호. 가운데 원의 안쪽부터 바깥으로 염기서열을 읽어 나가면 그에 의하여 해석되는 아미노산들을 지정할 수 있다. https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AGeneticCode21-version-2.svg

목차

한 아미노산을 나타내는 코돈들은 세 개의 염기 중 어느 위치에서든 차이를 나타낼 수 있지만, 대개는 세 번째 위치의 염기가 다른 경우가 많다. 예를 들면, 세린 (serine)은 첫 번째, 두 번째, 세 번째 위치의 염기가 모두 변화를 보이는 UCA, UCG, UCC, UCU, AGU, AGC 코돈들에 의하여 해석되지만, 발린 (valine)에서와 같이 세 번째 위치의 염기만 변화된 모든 코돈, 즉 GUU, GUG, GUA, GUT에 의하여 해석된다. 결국, 이러한 유전자 암호의 퇴화 현상은 한 염기 돌연변이 (point mutation)에 의한 유전 정보 전달의 착오를 줄여주는 역할을 하게 된다. 즉, 유전자 암호에 에러가 발생해도 단백질의 물리 및 화학적 성질을 변화시키지 않는 경우가 많기 때문이다.    

단백질의 친수성 (hydrophilicity)과 소수성 (hydrophobicity)은 퇴화 암호에 의한 아미노산의 동질적 치환에 의하여 보존 시킬 수 있다. 예를 들어, NUN (N은 어느 염기나 다 가능하다)는 소수성 아미노산, NCN은 크기가 작거나 중간정도의 친수성 아미노산, 그리고, NAN은 평균 크기의 친수성 아미노산으로 해석되는 경향을 보인다 (그림 2). 이러한 경향성은 이 들 코돈과 연관된 아미노아실 tRNA 합성 효소 (aminoacyl tRNA synthetases)들을 공유하면서 나타난 현상으로 보는 견해도 있다.    

그림 2. 그림 . 아미노산의 크기와 친수성에 따라 모인 코돈들. https://commons.wikimedia.org/wiki/File%3AELLIPTICAL_GENETIC_CODE_Ian.png

유전자 암호 퇴화가 일어날 수 있도록 하는 분자생물학적 원인은 이러한 코돈을 인식하는 tRNA내 안티코돈의 첫 번째 염기가 화학적으로 변형이 되어 있어서 한 가지 이상의 염기 결합을 가능하게 해주기 때문이다. 이러한 변형 염기 (modified bases)의 예로 이노신 (inosine)과 왓슨-크릭형이 아닌 U-G 염기 결합을 들 수 있다. 6 개의 다른 코돈에 의하여 해석되는 가장 높은 퇴화성을 보이는 아미노산은 세린 (serine), 류신 (leucine), 아르기닌 (arginine) 등 3 가지이며, 메타이오닌 (methionine)은 시작 코돈인 AUG에 의하여, 그리고 트립토판 (tryptophan)은 UGG 하나의 코돈에 의하여 해석되어 가장 퇴화 되지 않는 경우이다.  

코돈 (codon), 안티 코돈 (anticodon), 유전자 암호 (genetic code), 유사 돌연변이 (synonymous mutation), 아미노산 (amino acids)

생명과학 (Brooker 저, 3판, 홍릉과학출판사), 분자생물학 (Weaver 저, 5판, 라이프사이언스)